Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ i\ - 9
ГЛАВА І. МАЛОЦИШЮВАЯ УСТАЛОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕ
РИАЛОВ ПРИ ОДНОЧАСТОТНОМ И МНОГОЧАСТОШШ
НАГРУЖЕНИИ /ОБЗОР/ 10 - 13
Исследование малоцикловой усталости и закономерности циклического деформирования материалов в зависимости от различных факторов и условий нагружения 13 - 22
Анализ литературных данных о влиянии вибраций на усталость и циклическую ползучесть материалов при двухчастотнш нагружении 22 - *
Оборудование и методики экспериментов для изучения усталости при одночастотном и двухчастотнш видах нагружения 44 - 49
ВЫВОДА 50 - 52
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИС
СЛЕДОВАНИЯ ЕЛИЯНВД ВИБРАЦИЙ НА СОПРОТИВЛЕ
НИЕ УСТАЛОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ
ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСЮМ РАСТЯЖЕНИИ 53
Установка для проведения испытаний материалов на усталость при повторно-статическом растяжении с наложением вибраций 53 - 59
Анализ напряженного состояния образца....... 59 - 61
Измерение и регистрация деформации образца в процессе повторно-статического растяжения с наложением вибраций 62
2.3.1.Регистрация циклической деформации образца
при повторно-статическом растяжении с наложе
нием вибраций 62 - 66
2.3.2.Регистрация распределения деформации по ра
бочей поверхности плоского образца. 66-70
2.4. Выбор материалов для испытаний и подготовка
образцов 70 - 74
стр,
Метрологические исследования установки и оценка погрешностей принятой методики эксперимента 74 - 83
ВЫВОДЫ 84
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПОЛ
ЗУЧЕСТИ ТИТАНОВЫХ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ПРИ ПОВТОРНО-СТАТИЧЕСКОМ РАСТЯЖЕНИИ С НА
ЛОЖЕНИМ ВИБРАЦИЙ 85
3.1. Усталостные испытания конструкционных ма
териалов при повторно-статическом растя
жении с наложением различных уровней виб-.
раций. 86-87
Испытание титановых сплавов 88 - 97
Испытание алюминиевых сплавов 97- 101
Фрактографические особенности.усталостного разрушения образцов при повторно-статическом растяжении и высокочастотной вибрации ЮІ - 109
Анализ результатов усталостных испытаний материалов при повторно-статическом растяжении с наложением вибраций Ю9 - II7
Исследование локального развития деформации образцов из титанового сплава при повторно-статическом растяжении с наложением вибраций.. 118 - 125
Исследование циклической ползучести титановых и алюминиевых сплавов при повторно-статическом растяжении с наложением виб-. раций.... .125 - 148
ВЫВОДЫ 149 - 151
ЛИТЕРАТУРА 152 - 168
ПРИЛОЖЕНИЯ 169-187
Введение к работе
Одна из наиболее важных проблем развития современной техники заключается в повышении долговечности и надежности машин и конструкций, в улучшении прочностных характеристик их деталей при одновременном значительном снижении их общей металлоемкости. Максимальное использование возможности материала, осу словленное необходимостью обеспечения малой металлоемкости и компактности конструкций ограниченного срока службы,заставляет допускать такие условия работы материала, при которых в процессе эксплуатации он разрушается после нескольких десятков тысяч циклов яагру-жения.
Анализ напряженности деталей машин и элементов конструкций, работающих в режиме малоциклового нагружения /транспортные и землеройные машины, подьемные механизмы, трубопроводы, сосуды, некоторые элементы конструкции самолетов и др./ показал, что в процессе эксплуатации помимо низкочастотных нагрузок, в большинстве случаев они постоянно подвергаются широкому спектру как по уровню напряжений, так и по частоте вибрациям. Помимо того, материал может испытывать в процессе работы и различного рода кратковременные перегрузки. Перегрузки могут быть вызваны нестационарной работой агрегата, реверсированием, остановом, пуском, резким изменением режима работы и т.д. Возникающие в процессе работы вибрации, вызываемые аэродинамическими, гидродинамическими и механическими процессами при перечисленных выше условиях, безусловно должны в какой-то степени оказывать свое влияние на усталость и циклическую деформацию материала.
Следствием влияния вибраций может служить преждевременное разрушение детали отдельных элементов конструкций или агрегата в целом. Следовательно, дане малые по уровню вибрационные нагрузки для материалов конструкций, подвергаемых в процессе эксплуатации значительным нагрузкам, обусловливающим ограниченный срок службы, являются дополнительной нагрузкой, которую, как показывают исследования, необходимо учитывать.
Тем не менее, вследствие относительно малого уровня гармоник, накладываемых на основной процесс циклического изменения напряжений, зачастую либо пренебрегают их учетом и рассматривают процесс нагружения материалов как одночастотный, либо суммируют их к основной циклической нагрузке. Такой подход к решению задач усталости материалов не полностью отображает реальные условия работы основной массы материалов в машиностроении.
В настоящее время опубликовано большое количество работ по исследованию малоникловой усталости в условиях комнатной, высоких и низких температур при различных видах и режимах одно-частотного нагружения. Поэтому можно считать, что некоторые вопросы усталости материалов при малом числе циклов одночастотно-го нагружения уже достаточно хорошо изучены и обобщены, и по ряду работ изданы нормативные документы и рекомендации f80j.
Но на практике большие уровни малоцикловой нагрузки, по ряду причин, отмеченных выше, часто сопровождаются вибрациями малого уровня, вследствие чего задачу исследования малоцикловой усталости конструкцйошшх материалов с учетом малых вибраций можно отнести к числу актуальных с научной и практической точек зрения, а также к области исследования прочности при двухчастотном нагружении. В научно-технической литературе в последнее время все чаще появляются публикации /8,9,22,23,36,43,44,70,74,88,89,
109,134,141,142 и др.] исследования материалов при двухчастот-ном нагружении в зависимости от различных факторов и условий нагружения.
Двухчастотное нагружение характеризуется тем, что одна из нагрузок представляет собой, как правило, низкочастотную, на которую накладывают различные по амплитуде и частоте дополнительные нагрузки. При этом за параметр принимают либо амплитудное значение, либо частотное отношение нагрузок.
Отсутствие исследований сопротивления усталости и циклической ползучести конструкционных материалов, когда циклические нагрузки различны по характеру /например, растяжение и изгиб/, при относительно высоком значении отношения частот - до 10% а также результатов двухчастотных испытаний в условиях низкой температуры, подчеркивает новизну и актуальность проведения таких исследований. Учитывая это, и тот факт, что в процессе эксплуатации материал в некоторых случаях испытывает именно такое циклическое нагружение /отдельные элементы конструкций самолетов, арматура гидросистем и др./, научную и практическую значимость проведения таких исследований и была сформулирована следующая задача. Исследовать влияние малоинтенсивных высокочастотных вибраций изгиба на сопротивление усталости, циклическую ползучесть и характер разрушения титановых и алюминиевых сплавов при повторно-статическом растяжении в условиях комнатной и низкой /77К/ температур.
Диссертационная работа состоит из трех глав, выводов, списка литературы и приложения.
Первая глава содержит обзор литературных источников по теме диссертации. В ней отражены основные закономерности малоцик-ловой усталости и прочности материалов при двухчастотнсм нагру-
_ 7 -женин. Особое внимание уделено немногочисленным источникам, в которых затронуты вопросы двух- и более частотного нагружения конструкционных материалов.
В этой же главе описаны основные принципы и особенности методики испытаний на усталость при двухчастотнсм нагружении и, в частности, при наложении вибраций. Дается их критическая оценка.
В заключение главы делается вывод об актуальности темы намеченных исследований, поскольку поднятый вопрос о влиянии вибраций малой интенсивности на малоцикловую усталость еще недостаточно исследован, но является интересным в научном отношении и важным для практики. Делается заключение об основных требованиях к методике испытаний и установке. Основное из них состоит в том, чтобы в процессе проведения испытаний при необходимости имелась возможность независимой регулировки уровней повторно-статической нагрузки и вибраций. Обе составляющие нагрузки должны измеряться в одних и тех же единицах /например, в единицах напряжения МПа/.
Вторая глава посвящена описанию разработанной установки и методики испытаний. К созданию специальной установки привела необходимость проведения испытаний, которые нельзя было осуществить на выпускающихся промышленностью стандартных испытательных машинах. На созданной установке осуществлялось повторно-статическое растяжение с частотой три цикла в минуту /при необходимости частота могла быть увеличена или уменьшена в несколько раз/. Нагрузка определялась величиной груза на конце рычага нагружающей системы. На растянутый образец накладывались вибрации изгиба путем возбуждения поперечных колебаний растянутой линии деталей, включающих в себя и образец. Величина амплитуды напряжения вибра-
цйй определялась по амплитуде колебания в одной и той же наперед выбранной точке растянутой линии.
В третьей главе представлены результаты усталостных испытаний титановых и алшиниевых сплавов при повторно-статическом растяжении с наложением вибраций малой интенсивности /0,20 и 40 МПа/, составляющих менее 10$ максимальной величины повторно-статического напряжения.
Описано влияние малоинтенсивных вибраций изгиба на характер разрушения образцов при повторно-статическом растяжении. С этой целью был проведен фрактографический анализ изломов титановых образцов, разрушенных при повторно-статическом растяжении с наложением и без наложения вибраций.
Показано влияние вибраций на развитие локальной деформации на рабочем участке образца для титановых сплавов с использованием метода делительных сеток.
Рассмотрено влияние малоинтенсивных вибраций на скорость циклической ползучести и предельную величину накопленной деформации в материале образца к коменту его разрушения.
В заключительной части диссертационной работы сделаны основные выводы по результатам проведенных исследований.
Основное содержание диссертационной работы отображено в публикациях II * 21 я докладывалось на:
I, П и Ш Всесоюзных семинарах "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружния", г.Киев, май, 1975, 1978, 1981 гг.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Структура и прочность стали и сплавов", г.Киев, сентябрь, 1976 г.;
Четвертой Всесоюзной научно-технической конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процес-
сов, г.Москва, январь-февраль 1979 г.
- Пятом Всесоюзном съезде по прикладной и теоретической механике, г.Алма-Ата, май-июнь, 1981 г.
Данная работа выполнена в отделе акустических методов исследования прочности материалов Института проблем прочности АН УССР и является составной частью комплекса исследований, проводимых в Институте. Основной объем настоящих исследований был выполнен в течение 1974^1983 годов.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Василию Александровичу І^зьменко за постановку задачи и постоянное внимание к работе.
Автор благодарит коллектив отдела акустических методов исследования прочности материалов ИПП АН УССР за постоянное внимание и дружескую помощь консультациями во время выполнения и оформления работы.
